專利名稱：一種中溫固體氧化物燃料電池一維納米復(fù)合陰極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中溫固體氧化物燃料電池陰極及其制備方法。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池作為ー種非常有發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉?，它具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境污染少、可利用的燃料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在當(dāng)今國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的形勢(shì)下，研究和開發(fā)新的能源顯得尤為重要，固體氧化物燃料電池作為ー種新型的 能源，對(duì)其的研究具有十分重要的意義。固體氧化物燃料電池由于操作溫度高，可利用的材料較少，生產(chǎn)成本高，阻礙其商業(yè)化發(fā)展。降低固體氧化物燃料電池操作溫度關(guān)鍵之一就是降低電極的極化損耗，許多研究表明陰極極化在總的極化損耗中占主導(dǎo)地位，因此降低陰極極化阻抗有利于固體氧化物燃料電池性能的提高。與傳統(tǒng)的LahSrxMnCVs (0 < x < I)陰極材料相比，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LahSrxCcvyFeyCVs (0 < x < 1,0 < y < I)作為中溫固體氧化物燃料電池的負(fù)極材料，它具有較高的離子和電子混合導(dǎo)電率、良好的催化活性，現(xiàn)在已經(jīng)成為中溫固體氧化物燃料電池負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)。眾所周知，氧化還原反應(yīng)發(fā)生在三相界面，對(duì)于單一的LSCF陰極，三相界面僅限于電極與電解質(zhì)的界面，降低了 LSCF陰極對(duì)氧的電催化活性，通過(guò)向LSCF陰極中添加離子電導(dǎo)體，能夠大幅度提高LSCF陰極的電催化活性，降低陰極的極化電阻，Q.Fu等人(J. Power Sources 168 (2007) 338-345)用交流阻抗研究了 La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.803_s/Ce0.8Gd0.202-5 (LSCF/⑶C)復(fù)合粉體制備的陰極的性能，650°C最小的極化電阻為0. 52 Q cm2 ；J. Chen 等人(J. Power Sources 194(2009)275-280)制備了 Laci 8Srci 2Coci 5Feci 5CVs/Ce0.8Gd0.202-5 (LSCF/⑶C)復(fù)合粉體制備的陰極，650°C的極化電阻為0. 51 Q cm2,陰極的極化電阻高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的LSCF/GDC復(fù)合粉體制備的陰極極化電阻高的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極及其制備方法。本發(fā)明的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰扱，是以Cea8Gda2C^9(GDC)電解質(zhì)片為基體，基體表面涂覆納米棒狀Laa8Sra2Coa2Fea8O3(LSCF)粉體,而且Laa8Sra2Coa2Fea8O3納米棒上附著Ce0.8Gd0.20L9納米顆粒。上述的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4h 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18kv 20kv、收集距離為15cm 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35 %的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V /min 5°C /min的速度升溫至300°C保持2h,再以2 °C /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持I 2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、ー維納米陰極制備將步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體與こ基纖維素的松油醇溶液混合均勻，得到陰極漿料，再將陰極漿料涂覆在Cea8Gda20,9電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)I lOmin，得到LSCF —維納米陰極；五、復(fù)合陰極制備按硝酸釓與硝酸鈰的摩爾比為I : 4，稱取硝酸釓與硝酸鈰并溶于こ醇與水的混合溶液中，混合均勻后，得到滲透液；再將滲透液滴加到步驟四制備的LSCF—維納米陰極上，然后在溫度為700°C 800°C的條件下燒結(jié)0. 5h lh，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是用靜電紡絲先制備出納米纖維，纖維燒結(jié)后得到棒狀結(jié)構(gòu)的粉體，將粉體制備成漿料并涂覆在GDC電解質(zhì)片上，燒結(jié)后得到LSCF —維納米陰極，再在LSCF —維納米陰極上滲透⑶C的前驅(qū)液(即滲透液)，高溫處理后得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰扱。該陰極上，ー維棒狀的LSCF與GDC納米顆粒結(jié)合，將電極-電解質(zhì)-氣體的三相界面由ー維平面向三維空間延伸，極大地降低陰極的極化電阻。本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的極化電阻值低至0. I Q cm2 (650°C ),而且制備エ藝簡(jiǎn)單,成本低。本發(fā)明的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法還可以按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺溶劑中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ;ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18 20kv、收集距離為15 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35 %的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V /min 5°C /min的速度升溫至300°C保持2h,再以2 °C /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持1-2小吋，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、復(fù)合陰極制備按質(zhì)量百分比稱取55% 65%步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體、35% 45%的Cetl 8Gdtl 2O19納米粉體并加入到こ基纖維素的松油醇溶液中，混合均勻，得到混合漿料，再將混合漿料涂覆在Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)1-lOmin，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是用靜電紡絲先制備出納 米纖維，纖維燒結(jié)后得到棒狀結(jié)構(gòu)的粉體，將該棒狀結(jié)構(gòu)的粉體與Cea 8Gda W1.9 (GDC)納米粉體混合后制備成漿料并涂覆在Cea8Gda20,9(GDC)電解質(zhì)片上，燒結(jié)后得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。該陰極上，ー維棒狀的LSCF與GDC納米結(jié)合，將電極-電解質(zhì)-氣體的三相界面由ー維平面向三維空間延伸，極大地降低陰極的極化電阻。本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的極化電阻值2. 36 Q cm2 (650°C )，而且制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低。


圖I試驗(yàn)ー步驟三得到的LSCF納米棒狀粉體的X射線衍射譜圖；圖2試驗(yàn)ー步驟三得到的LSCF納米棒狀粉體的掃描電鏡照片；圖3試驗(yàn)一中步驟四得到的LSCF —維納米陰極的掃描電鏡照片；圖4試驗(yàn)一中步驟五得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的掃描電鏡照片；圖5試驗(yàn)ー步驟四得到的LSCF —維納米陰極的交流阻抗譜圖；圖6試驗(yàn)ー步驟五得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的交流阻抗譜圖；圖7試驗(yàn)ニ得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的交流阻抗譜圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是以Cea8GdaA9(GDC)電解質(zhì)片為基體，基體表面涂覆納米棒狀Laa8Sra2Coa2Fea8O3粉體,而且Laa8Sra2Coa2Fea8O3納米棒上附著Ce0.8Gd0.20L9納米顆粒。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是用靜電紡絲先制備出納米纖維，纖維燒結(jié)后得到棒狀結(jié)構(gòu)的粉體，將該棒狀結(jié)構(gòu)的粉體與GDC納米粉體混合后制備成漿料并涂覆在GDC電解質(zhì)片上，燒結(jié)后得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。該陰極上，ー維棒狀的LSCF與GDC納米結(jié)合，將電極-電解質(zhì)-氣體的三相界面由ー維平面向三維空間延伸，極大地降低陰極的極化電阻。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低。
具體實(shí)施方式
ニ 本實(shí)施方式的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4h 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ;ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18kv 20kv、收集距離為15cm 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35 %的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V /min 5°C /min的速度升溫至300°C保持2h,再以2 °C /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持I 2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、ー維納米陰極制備將步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體與こ基纖維素的松油醇溶液混合均勻，得到陰極漿料，再將陰極漿料涂覆在Cea8Gda20,9電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)I lOmin，得到LSCF —維納米陰極；五、復(fù)合陰極制備按硝酸釓與硝酸鈰的摩爾比為I : 4，稱取硝酸釓與硝酸鈰并溶于こ醇與水的混合溶液中，混合均勻后，得到滲透液；再將滲透液滴加到步驟四制備的LSCF ー維納米陰極上，然后在溫度為700°C 800°C的條件下燒結(jié)0. 5h lh，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是用靜電紡絲先制備出納米纖維，纖維燒結(jié)后得到棒狀結(jié)構(gòu)的粉體，將粉體制備成漿料并涂覆在Ceo.8Gd0.20L9(GDC)電解質(zhì)片上，燒結(jié)后得到LSCF —維納米陰極，再在LSCF —維納米陰極上滲透Cea8Gda20,9(OTC)的前驅(qū)液(即滲透液)，高溫處理后得到中溫固體氧化物燃料電池一維納米復(fù)合陰扱。該陰極上，ー維棒狀的LSCF與GDC納米顆粒結(jié)合，將電極-電解質(zhì)-氣體的三相界面由ー維平面向三維空間延伸，極大地降低陰極的極化電阻。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的極化電阻值低至0. I Q cm2出50で)，而且制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
ニ不同的是步驟四中LSCF納米棒狀粉體與こ基纖維素的松油醇溶液的質(zhì)量比為I : I。其它與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
ニ或三不同的是步驟四中こ基纖維素在其松油醇溶液中的質(zhì)量百分含量為3% 5%。其它與具體實(shí)施方式
ニ或三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
ニ至四之一不同的是步驟四中步驟四中Ceci 8Gdtl 2O19電解質(zhì)片的制作過(guò)程如下稱取4g Ce0 8Gd0 2O1.9電解質(zhì)納米粉體置于瑪瑙研缽中，研磨10 30min，然后置于直徑為25mm的模具中，單軸120MPa壓制成電解質(zhì)片，再將電解質(zhì)片在1450°C燒結(jié)20小時(shí)，獲得Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片。其它與具體實(shí)施方式
ニ至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
ニ至五之一不同的是步驟五中こ醇與水的混合溶液中こ醇與水的質(zhì)量比為0.6 I。其它與具體實(shí)施方式
ニ至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
ニ至六之一不同的是步驟五中滲透液的體積與LSCF—維納米陰極面積的比為0. 204mL 1cm2。其它與具體實(shí)施方式
ニ至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺溶劑中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ;ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18 20kv、收集距離為15 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35%的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V /min 5°C /min的速度升溫至300°C保持2h,再以2 °C /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持1-2小吋，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、復(fù)合陰極制備按質(zhì)量百分比稱取55% 65%步驟三制備的LSCF納米棒狀 粉體、35% 45%的Cetl 8Gdtl 2O19納米粉體并加入到こ基纖維素的松油醇溶液中，混合均勻，得到混合漿料，再將混合漿料涂覆在Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)1-lOmin，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，是用靜電紡絲先制備出納米纖維，纖維燒結(jié)后得到棒狀結(jié)構(gòu)的粉體，將該棒狀結(jié)構(gòu)的粉體與GDC納米粉體混合后制備成漿料并涂覆在GDC電解質(zhì)片上，燒結(jié)后得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。該陰極上，ー維棒狀的LSCF與⑶C(Cetl.Wda2O1J納米粉體結(jié)合，將電極_電解質(zhì)-氣體的三相界面由ー維平面向三維空間延伸，極大地降低陰極的極化電阻。本實(shí)施方式的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的極化電阻值2. 36 Q cm2 (650°C )，而且制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同的是步驟四中LSCF納米棒狀粉體與Cetl 8Gdtl 2O19納米粉體的質(zhì)量之和與こ基纖維素-松油醇溶液的質(zhì)量的比為I I，こ基纖維素在其松油醇溶液中的質(zhì)量百分含量為3%。其它與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八或九不同的是步驟四中Ceaぷ屯-^納米粉體制備過(guò)程如下a、將4. 35g Gd2O3溶于5. 5mL濃HNO3中，溶解后用去離子水稀釋至400mL，向其中加入41. 67552g Ce (NO3) 3，完全溶解后，溶液用濃氨水調(diào)節(jié)pH至5 6，然后向溶液中加入37. 8252g檸檬酸，得到透明的溶膠；b、將溶膠置于恒溫水浴鍋中，在80°C下蒸發(fā)掉水分，得到凝膠；c、再將凝膠轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中，在真空度為0. 090MPa、溫度為120°C的條件下干燥12小時(shí)，得到干凝膠；d、再用瑪瑙研缽將干凝膠研磨后，置于高溫電爐中，在250°C的溫度下保持I小時(shí)，再升溫至600°C燒結(jié)2小時(shí)，得到Cea8Gda2Ou納米粉體。其它與具體實(shí)施方式
八或九相同。用以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果試驗(yàn)ー本試驗(yàn)ー的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備分別稱取3. 59277g硝酸鑭、3. 35207g硝酸鐵、0. 60368g硝酸鈷、0. 43898g硝酸鍶溶于30mL的N，N- ニ甲基甲酰胺(DMF)溶劑中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入3. Og聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓20kV、收集距離為20cm、室內(nèi)溫度20°C、相対濕度30%的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V /min的速度升溫至300°C保持2h，再以2°C /min的速度升溫至900°C保持2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、ー維納米陰極制備稱取0. 51072g步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體，并加入到0. 51023gこ基纖維素的松油醇溶液中，混合均勻，得到陰極漿料，再將陰極漿料涂覆在Ceo.8Gd0.20L9電解質(zhì)片 上，然后以15°C /min的升溫速度升至溫度為940°C燒結(jié)lmin，得到面積為0. 7854cm2的LSCF —維納米陰極；其中こ基纖維素的松油醇溶液中こ基纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% ；Ce0.8Gd0.20L9電解質(zhì)片，制作過(guò)程如下稱取4g Cea8Gda2C^9電解質(zhì)納米粉體置于瑪瑙研缽中，研磨lOmin，然后置于直徑為25mm的模具中，單軸120MPa壓制成電解質(zhì)片，再將電解質(zhì)片在1450°C燒結(jié)20小時(shí)，獲得Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片；其中Cea8Gda2Oh9電解質(zhì)納米粉體制備過(guò)程如下a、將4. 35g Gd2O3溶于5. 5mL濃HNO3中，溶解后用去離子水稀釋至400mL，向其中加入41. 67552g Ce (NO3) 3，完全溶解后，溶液用濃氨水調(diào)節(jié)PH至5 6，然后向溶液中加入37. 8252g檸檬酸，得到透明的溶膠；b、將溶膠置于恒溫水浴鍋中，在80°C下蒸發(fā)掉水分，溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠；c、再將凝膠轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中，在120°C下干燥12小時(shí)，形成褐色的干凝膠；d、再用瑪瑙研缽將干凝膠研磨細(xì)，置于高溫電爐中，在250°C保持I小時(shí)，再升溫至600°C燒結(jié)2小時(shí)，得到Cea8Gda2Ou電解質(zhì)納米粉體。五、復(fù)合陰極制備稱取0. 15794g硝酸釓、0. 60777g硝酸鈰，溶于7mL的こ醇-水混合溶劑中，用磁力攪拌器攪拌使其完全溶解，得到滲透液；用微量進(jìn)樣器吸取40uL滲透液，并滴加到步驟四制備的LSCF—維納米陰極中，然后在溫度為700°C的條件下燒結(jié)30min,再重復(fù)吸取滲透液、滴加、燒結(jié)的操作，滴加4次后，在800°C燒結(jié)lh，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。試驗(yàn)ー步驟三得到的LSCF納米棒狀粉體的XRD圖如圖I所示，從圖I可以看出，所有的衍射峰與LSCF鈣鈦礦相一一對(duì)應(yīng)，未見雜質(zhì)峰出現(xiàn)，即獲得了 LSCF納米棒。試驗(yàn)ー步驟三得到的LSCF納米棒狀粉體的掃描電鏡照片如圖2所示，從圖2可以看出，LSCF納米棒的直徑200nm左右，且納米棒分布較均勻。試驗(yàn)一中步驟四得到的LSCF —維納米陰極的掃描電鏡照片如圖3所示，從圖3可以看出，LSCF陰極保持一維納米棒的結(jié)構(gòu)且具有較高的孔隙率，其中LSCF納米棒在陰極中分布比較均勻。 試驗(yàn)一中步驟五得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的掃描電鏡照片如圖4所示，從圖4可以看出，滲透過(guò)的LSCF陰極保持一維納米棒的結(jié)構(gòu)且具有較高的孔隙率，在LSCF納米棒的表面有許多Cea8Gda2Ou小顆粒生成。用Pt作為對(duì)電極和參比電極，以Pt網(wǎng)作為集流體，Pt絲作為導(dǎo)線，將陰極樣品置于管式爐中，借助CHI604D化學(xué)工作站，用交流阻抗對(duì)陰極的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。圖5是試驗(yàn)ー步驟四得到的LSCF —維納米陰極的交流阻抗譜圖，圖6是試驗(yàn)一步驟五得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的交流阻抗譜圖；從圖5可以看出，LSCF陰極的阻抗譜是由較大的弧組成，極化電阻為14. 12 Q cm2 ;從圖6可以看出LSCF-GDC阻抗譜是由一個(gè)縮小的弧組成，極化電阻為0. 10 Q cm2。試驗(yàn)ニ 本試驗(yàn)ニ的一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備分別稱取3. 59277g硝酸鑭、3. 35207g硝酸鐵、0. 60368g硝酸鈷、0.43898g硝酸鍶并溶于30mL的N，N-ニ甲基甲酰胺(DMF)中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入3. Og聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴 頭，在靜電紡絲電壓20kV、收集距離為20cm、室內(nèi)溫度20°C、相対濕度30%的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維；三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2°C /min的速度升溫至300°C保持2h，再以2°C /min的速度升溫至900°C保持2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體；四、復(fù)合陰極制備稱取0. 18056g步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體、0. 12038g的GDC納米粉體并加入0. 30054g的こ基纖維素的松油醇溶液中，磁力攪拌12h，得到混合漿料，再將混合漿料涂覆在Cetl. Wda2Ou電解質(zhì)片上，然后以15°C /min速度升溫至940°C的并燒結(jié)lmin，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極；其中こ基纖維素的松油醇溶液中こ基纖維素的質(zhì)量百分濃度為3%。Cea8Gda2Oh9電解質(zhì)納米粉體制備過(guò)程如下a、將4. 35g Gd2O3溶于5. 5mL濃HNO3中，溶解后用去離子水稀釋至400mL，向其中加入41. 67552g Ce (NO3) 3，完全溶解后，溶液用濃氨水調(diào)節(jié)pH至5 6，然后向溶液中加入37. 8252g檸檬酸，得到透明的溶膠山、將溶膠置于恒溫水浴鍋中，在80°C下蒸發(fā)掉水分，溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠；c、再將凝膠轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中，在120°C下干燥12小時(shí)，形成褐色的干凝膠；d、再用瑪瑙研缽將干凝膠研磨細(xì)，置于高溫電爐中，在250°C保持I小時(shí)，再升溫至600°C燒結(jié)2小時(shí)，得到Cea8Gda2Ou電解質(zhì)納米粉體。其中步驟a中濃HNO3的質(zhì)量百分濃度為63%，濃氨水的質(zhì)量百分濃度為25%。Ce0.8Gd0.20L9電解質(zhì)片，制作過(guò)程如下稱取4g Cea8Gda2C^9電解質(zhì)納米粉體置于瑪瑙研缽中，研磨lOmin，然后置于直徑為25mm的模具中，單軸120MPa壓制成電解質(zhì)片，再將電解質(zhì)片在1450°C燒結(jié)20小時(shí)，獲得Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片；用Pt作為對(duì)電極和參比電極，以Pt網(wǎng)作為集流體，Pt絲作為導(dǎo)線，將陰極樣品置于管式爐中，借助CHI604D化學(xué)工作站，用交流阻抗法對(duì)陰極的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。圖7是試驗(yàn)ニ步驟四得到的中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的交流阻抗譜圖；從圖7可以看出，LSCF-GDC復(fù)合陰極的阻抗譜由兩個(gè)弧組成，極化電阻為2. 36 Q cm2。 本發(fā)明的研究為國(guó)家自然基金“固體氧化物燃料電池性能衰減機(jī)制與控制的研究”(51072040)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究”(2012CB215400)。
權(quán)利要求
1.一種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極，其特征在于中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極是以Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片為基體，基體表面涂覆納米棒狀La0 8Sr0 2Co0 2Fe0 8O3 粉體,而且 Laa8Sra2Coa2Fea8O3 納米棒上附著 Cea8Gda2Ou 納米顆粒。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行 一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4h 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ; ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18kv 20kv、收集距離為15cm 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35 %的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維； 三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2°C/min 50C /min的速度升溫至300°C保持2h，再以2V /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持I 2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體； 四、ー維納米陰極制備將步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體與こ基纖維素的松油醇溶液混合均勻，得到陰極漿料，再將陰極漿料涂覆在Cea8Gda20,9電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)I lOmin，得到LSCF—維納米陰極； 五、復(fù)合陰極制備按硝酸釓與硝酸鈰的摩爾比為I: 4，稱取硝酸釓與硝酸鈰并溶于こ醇與水的混合溶液中，混合均勻后，得到滲透液；再將滲透液滴加到步驟四制備的LSCFー維納米陰極上，然后在溫度為700°C 800°C的條件下燒結(jié)0. 5h lh，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟四中LSCF納米棒狀粉體與こ基纖維素的松油醇溶液的質(zhì)量比為I : I。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟四中こ基纖維素在其松油醇溶液中的質(zhì)量百分含量為3% 5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟四中Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片的制作過(guò)程如下稱取4g Ce0.8Gd0.20L9電解質(zhì)納米粉體置于瑪瑙研缽中，研磨10 30min,然后置于直徑為25mm的模具中，單軸120MPa壓制成電解質(zhì)片，再將電解質(zhì)片在1450で燒結(jié)20小時(shí)，獲得Cea 8Gd0.20L 9電解質(zhì)片。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟五中こ醇與水的混合溶液中こ醇與水的質(zhì)量比為0. 6 I。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟五中滲透液的體積與LSCF—維納米陰極面積的比為0.204mL : 1cm2。
8.如權(quán)利要求I所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、靜電紡絲前驅(qū)液制備按硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶的摩爾比為4:4:1: I的比例，分別稱取硝酸鑭、硝酸鐵、硝酸鈷和硝酸鍶并加入到N，N-ニ甲基甲酰胺溶劑中，磁力攪拌至硝酸鹽完全溶解，再加入聚こ烯吡咯烷酮，再在室溫下攪拌4 6h，得到靜電紡絲前驅(qū)液；其中靜電紡絲前驅(qū)液中硝酸鹽的質(zhì)量百分含量為15% 25%、聚こ烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分含量為8% 12% ; ニ、靜電紡絲制備納米纖維將步驟一得到 的靜電紡絲前驅(qū)液加入到注射器中，采用磨平的不銹鋼注射針頭作為紡絲噴頭，在靜電紡絲電壓18 20kv、收集距離為15 20cm、室內(nèi)溫度20°C 25°C、相対濕度20% 35%的條件下進(jìn)行靜電紡絲，得到納米纖維； 三、LSCF納米棒狀粉體制備將步驟ニ得到的納米纖維置于高溫電爐中，以2V/min 50C /min的速度升溫至300°C保持2h，再以2°C /min 5°C /min的速度升溫至900°C 950°C保持1-2小時(shí)，再自然冷卻至室溫，得到LSCF納米棒狀粉體； 四、復(fù)合陰極制備按質(zhì)量百分比稱取55% 65%步驟三制備的LSCF納米棒狀粉體、35% 45%的Cea8Gd0.20L9納米粉體并加入到こ基纖維素的松油醇溶液中，混合均勻，得到混合漿料，再將混合漿料涂覆在Cea8Gda2Ou電解質(zhì)片上，然后在溫度為900°C 1000°C的條件下燒結(jié)1-lOmin，得到中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟四中LSCF納米棒狀粉體與Cea8Gda2Ou納米粉體的質(zhì)量之和與こ基纖維素-松油醇溶液的質(zhì)量的比為I : 1，こ基纖維素在其松油醇溶液中的質(zhì)量百分含量為3% 5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的ー種中溫固體氧化物燃料電池ー維納米復(fù)合陰極的制備方法，其特征在于步驟四中Ce(l.8Gda20,9納米粉體制備過(guò)程如下a、將4. 35g Gd2O3溶于5.5mL濃HNO3中，溶解后用去離子水稀釋至400mL，向其中加入41. 67552g Ce (NO3) 3，完全溶解后，溶液用濃氨水調(diào)節(jié)PH至5 6，然后向溶液中加入37. 8252g檸檬酸，得到透明的溶膠山、將溶膠置于恒溫水浴鍋中，在80°C下蒸發(fā)掉水分，得到凝膠；c、再將凝膠轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中，在真空度為0. 090MPa、溫度為120°C的條件下干燥12小時(shí)，得到干凝膠；d、再用瑪瑙研缽將干凝膠研磨后，置于高溫電爐中，在250°C的溫度下保持I小時(shí)，再升溫至600°C燒結(jié)2小時(shí)，得到Cea8Gda2Ou納米粉體。
全文摘要
一種中溫固體氧化物燃料電池一維納米復(fù)合陰極及其制備方法，它涉及中溫固體氧化物燃料電池陰極及其制備方法，它是要解決現(xiàn)有的LSCF/GDC復(fù)合粉體陰極極化電阻高的技術(shù)問(wèn)題。本陰極是以Ce0.8Gd0.2O1.9電解質(zhì)片為基體，其表面涂覆納米棒狀La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3粉體，而且納米棒上附著Ce0.8Gd0.2O1.9納米顆粒。制備將硝酸鹽配成前驅(qū)液，靜電紡絲后燒結(jié)，得到納米棒狀粉體，將該粉體涂覆在電解質(zhì)片上燒結(jié)，再滲透硝酸釓與硝酸鈰混合液后，再燒結(jié)后即得；或者將LSCF納米棒狀粉體與Ce0.8Gd0.2O1.9納米粉體混合后涂在電解質(zhì)片燒結(jié)后即得。用于中溫固體氧化物燃料電池。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102623716SQ20121011088
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者劉曉天, 劉連, 劉連寶, 熊岳平, 譚羅林, 趙二慶 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)